紫花苜蓿是一种国内外广泛种植的多年生优质豆科牧草，素有“牧草之王”的美称。然而由于紫花苜蓿的基因组是高度杂合的同源四倍体，基因组的结构一直到2020年才得以解析，限制了基因信息的获得; 紫花苜蓿的遗传转化体系效率较低；CRISPR基因编辑系统的效率更低；这些都严重阻碍了紫花苜蓿分子育种的进程。

近日，中国农业大学王涛教授团队在The Crop Journal在线发表了题为“From model to alfalfa: gene editing to obtain semidwarf and prostrate growth habits”的研究论文。该研究团队通过对二倍体豆科模式植物截形苜蓿中的两个MtGA3ox基因的研究，确定了MtGA3ox1可用于半矮化紫花苜蓿的育种。接着该团队使用了一种高效的CRISPR/Cas9基因编辑方法成功获得半矮化的,匍匐生长的紫花苜蓿新材料。这种紫花苜蓿新材料在与其他作物间作，或作为果园覆草时具有一定优势，为“树上果实飘香，林下鸡鸭成群”的林草复合立体生态系统提供了新的高蛋白饲草。

该团队通过比较两个MtGA3ox基因的截形苜蓿突变体在正常条件和低氮条件下的表型，发现MtGA3ox2对植物株型没有影响，而MtGA3ox1在赤霉素调节的植物株型中起主要作用，其突变体株高显著降低，但仍然能够开花结实 (图1和图2)。并且这两个基因中任何一个基因的突变都不影响固氮酶活性 (图2)。这些结果表明MtGA3ox1可用于半矮化紫花苜蓿的育种。

图1 MtGA3ox1-1和MtGA3ox2-5突变体在正常条件下的表型

图2 MtGA3ox1-1和MtGA3ox2-5突变体在低氮条件下的表型

基于截形苜蓿GA3ox1的序列信息，该团队在2020年解析的紫花苜蓿基因组信息中获得了MsGA3ox1的序列信息，并根据MsGA3ox1的序列设计了两个敲除靶标，通过CRISPR/Cas9基因编辑方法成功获得msga3ox1纯和突变体，该突变体相比于受体材料的株高和节间长度都显著降低，分枝数增加约1.7倍，叶茎比提高5倍以上，叶茎比的提高也使得地上部分粗蛋白含量显著增高 (图3和图4)。

图3 基因编辑MsGA3ox1改变紫花苜蓿株型

图4 基因编辑MsGA3ox1使紫花苜蓿分枝增多，叶茎比提高

作者和基金项目

中国农业大学2016级直博生郑丽华和俄克拉荷马州立大学文江祁博士为该文共同第一作者，王涛教授为通信作者。该研究得到山东省农业品种改良项目 (2019LZGC010)和国家重点研发计划 (2019YFD1002701)的共同资助。中国农业大学王涛董江丽教授团队长期致力于解决制约我国苜蓿产业发展的瓶颈问题，系统解决了高复杂度的紫花苜蓿基因组结构，重要抗逆功能基因挖掘，苜蓿-根瘤菌共生固氮调控机制解析，高效基因编辑体系建立等科学难题。该团队已在Plant Cell，Molecular Plant，Autophagy，New Phytologist，Plant biotechnology journal等期刊上发表多篇高水平研究论文。